外文翻譯(陳鵬).doc

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1、機(jī)床的發(fā)熱問(wèn)題1、引言從1990年開(kāi)始，布萊恩等人做了關(guān)于熱狀態(tài)錯(cuò)誤的最新研究，weck更多的做了對(duì)機(jī)床誤差的減少和補(bǔ)償工具的研究，自從他們做了前面這兩個(gè)主題演講之后，在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)做了很多的研究。本文是在前兩個(gè)主題演講基礎(chǔ)上做的最新研究。機(jī)床定位的不確定性會(huì)直接影響所加工零件的尺寸精度。典型的誤差來(lái)源是運(yùn)動(dòng)誤差，機(jī)械熱誤差，載荷，動(dòng)力，以及運(yùn)動(dòng)控制軟件。本文主要研究機(jī)械熱誤差，這種誤差是由外部環(huán)境或內(nèi)部熱源引起的。制造業(yè)正在經(jīng)歷關(guān)于引起機(jī)床熱誤差管理的重大改變。直到最近，機(jī)床制造商給了機(jī)床用戶在指定的環(huán)境溫度要求和需要必要的非生產(chǎn)機(jī)器預(yù)熱程序下產(chǎn)生

2、這樣的錯(cuò)誤的管理責(zé)任。如今，機(jī)床制造商越來(lái)越頻繁的承擔(dān)對(duì)于控制熱致位移的責(zé)任。這一變化之所以會(huì)發(fā)生，是因?yàn)闄C(jī)床用戶意識(shí)到，有些類似的機(jī)床可以顯示顯著不同的熱錯(cuò)誤，并且在一些機(jī)床上大部分所提供的能量被用于平衡機(jī)床的溫度。此外，高達(dá)75％加工工件的整體幾何誤差是通過(guò)溫度的影響而引起的。因此，這個(gè)話題是最近的活動(dòng)的顯著研究重點(diǎn)。制造業(yè)對(duì)這個(gè)主題的興趣可以在最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)上看到。在過(guò)去的二十年已經(jīng)發(fā)展了計(jì)量規(guī)則和性能參數(shù)來(lái)評(píng)估空載和精加工條件下機(jī)床的發(fā)熱特性的多項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如今，用戶經(jīng)常會(huì)問(wèn)機(jī)床制造商，包括這樣的測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試。新的測(cè)量設(shè)備經(jīng)常用于延長(zhǎng)熱誤

3、差和檢測(cè)機(jī)床熱誤差源。特別是在測(cè)溫測(cè)量設(shè)備，如紅外攝像機(jī)價(jià)格的下降導(dǎo)致在分析機(jī)床的發(fā)熱特性的新選項(xiàng)。在第2節(jié)，將呈現(xiàn)在熱誤差和溫度測(cè)量方面的進(jìn)展。數(shù)值方法目前用于在開(kāi)發(fā)的早期階段比較不同的機(jī)床設(shè)計(jì)或模擬溫度對(duì)機(jī)床的影響來(lái)檢測(cè)熱誘發(fā)工具中心點(diǎn)（TCP）位移的來(lái)源。由于計(jì)算時(shí)間的瞬態(tài)仿真的費(fèi)用，工程師們往往對(duì)他們的模擬只使用穩(wěn)態(tài)結(jié)果。然而，它顯示的是TCP位移在運(yùn)行期間改變其方向的瞬態(tài)行為的觀察，如果兩個(gè)不同的時(shí)間常數(shù)都參與或者如果溫度場(chǎng)的熱源向外擴(kuò)散，通過(guò)監(jiān)管陡峭的坡度后會(huì)變得均勻。另外，穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果不會(huì)導(dǎo)致在穩(wěn)定狀態(tài)的情況下產(chǎn)生時(shí)間依賴行為，這期間

4、可以表示若干小時(shí)。機(jī)電一體化的發(fā)展進(jìn)一步提高了機(jī)床的精度。然而，為了實(shí)現(xiàn)更高的精度，機(jī)床的熱穩(wěn)定性的可預(yù)測(cè)性變得越來(lái)越重要，尤其是為了避免后期基于實(shí)驗(yàn)研究的機(jī)床發(fā)展的巨大花費(fèi)。計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了在TCP溫度分布和熱致位移上更好的估計(jì)。當(dāng)今最先進(jìn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)的處理能力已經(jīng)足以滿足處理這樣的計(jì)算的要求。即使使用有限元方法對(duì)一個(gè)完整的機(jī)床瞬態(tài)效應(yīng)進(jìn)行密集型模擬（FEM）計(jì)算，也可以在合理的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。關(guān)于建模和發(fā)熱計(jì)算錯(cuò)誤的概述將在第3節(jié)給出。關(guān)于減少在機(jī)床TCP熱錯(cuò)誤方面所有安排的技術(shù)性定義，將在第四章給出。早期的散熱可以在哈里森于1726年開(kāi)發(fā)的擺動(dòng)

5、烤架上發(fā)現(xiàn)。在這個(gè)時(shí)鐘鐘擺上的時(shí)鐘的最小熱影響是通過(guò)組合黃銅和鋼，兩種材料具有不同的膨脹系數(shù)（圖1-1）實(shí)現(xiàn)的。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，熱穩(wěn)定性被用于如線性秤架。其它的安排，例如用以穩(wěn)定溫度分布的加熱和冷卻裝置，可用于降低熱誤差。另一方面，機(jī)電一體化經(jīng)常用于誤差補(bǔ)償。熱誤差計(jì)算各種數(shù)值算法和一個(gè)移動(dòng)，以補(bǔ)償熱引起的誤差是由一個(gè)控制致動(dòng)器產(chǎn)生的。控制溫度仍然是高精度制造的關(guān)鍵要求。不同的介質(zhì)用于穩(wěn)定機(jī)床上的溫度分布，以及車間的環(huán)境溫度。所選擇的流體的材料性質(zhì)，主要影響冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和能源效率。在機(jī)床的能源效率的討論中已經(jīng)確定，要求進(jìn)一步減少機(jī)床的溫度上升的能量

6、損失和電力支出構(gòu)成的損失引起的誤差。更有效的成分也有助于減少能源的浪費(fèi)。第5節(jié)提供溫度控制，液體和能量效率的概述。本文介紹了在機(jī)床熱誤差的領(lǐng)域的最新研究活動(dòng)的概述。本文的結(jié)構(gòu)如下：第二章介紹在熱誤差和溫度測(cè)量上的進(jìn)步。第三章介紹用于計(jì)算機(jī)床熱誤差的方法以及開(kāi)發(fā)的研究工作。在第4節(jié)，對(duì)減少熱誤差的研究活動(dòng)進(jìn)行了總結(jié)。第5節(jié)概括了研究人員在溫度控制領(lǐng)域的活動(dòng)以及液體和能源效率的影響的概要。本文是對(duì)活動(dòng)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的總結(jié)。圖1-1一個(gè)鐘擺的簡(jiǎn)化模型，1：鋼，2：黃銅2、熱誤差和溫度測(cè)量的進(jìn)展2.1熱變形的測(cè)量如今，存在許多測(cè)量機(jī)床部件的位移（位置和方向）

7、的解決方案。不是所有的這些系統(tǒng)都可用于熱誤差的測(cè)量，因?yàn)檫@些測(cè)量基于以下要求具有特別挑戰(zhàn)性：l所有相關(guān)的幾何誤差參數(shù)的測(cè)量；l其中包括的有關(guān)工作容量；l具有足夠低的測(cè)量不確定度；l在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)，溫度變化對(duì)幾何誤差參數(shù)的影響可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。選擇正確的測(cè)量系統(tǒng)取決于誤差源。環(huán)境的影響如機(jī)加工車間的溫度一般會(huì)導(dǎo)致機(jī)床溫度的緩慢變化，但影響整個(gè)體積的性能。內(nèi)部影響如軸承和導(dǎo)軌產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)的局部變形，從而導(dǎo)致位移變化，從而部分地改變?nèi)莘e性能。內(nèi)部熱源造成的位移是難以預(yù)料的，并且比環(huán)境造成的影響變化更快。在過(guò)去的二十年里國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（I

8、SO）發(fā)表的一些標(biāo)準(zhǔn)：ISO230-3機(jī)床熱變形，ISO10791-10，加工中心的溫度變形，和ISO130